Post on 04-Oct-2021
1
Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla
Autor: Martin Krajíček
Vedoucí diplomové práce: Prof. Michael Valášek
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
Cíle práce
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
1. Specifikace zařízení
Měřenými veličinami jsou tlak na výstupu z čerpadla, průtok oleje měřícím okruhem,
teplota oleje v rezervoáru, ze kterého olej vstupuje přímo do čerpadla. Otáčky
motoru a mechanický příkon čerpadla během zkoušky.
První měřenou charakteristikou je závislost průtoku na tlaku
npQQ .
npPP .
Statická charakteriskika při 45°C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7
tlak [bar]
prů
tok
[l/m
in]
2750 [1/min]
1500 [1/min]
425 [1/min]
Zároveň s touto charakteristikou je měřena i závislost mechanického
příkonu na diferenciálním tlaku
Z obou těchto průběhů, je spočítána průtoková a celková účinnost.
t
Q
Druhou měřenou charakteristikou je závislost průtoku na otáčkách
pnQQ .
Zároveň je měřena závislost výkonu a účinnosti přeměny mechanické energie na
hydraulickou, při rostoucích otáčkách
pnPP .
pQPh .
M
pQc
Celkový příkon - naměřené hodnoty
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
otáčky [1/min]
vý
ko
n [
W]
příkon při 1 [bar]
příkon při 3 [bar]
přikon při 5 [bar]
Požadované rozsahy měřených veličin, které musí být zařízení schopno měřit a
regulovat:
- otáčky čerpadla 0 – 4000 min-1
- teplota oleje 40 – 120 °C
- tlak oleje 0,5 – 5 bar
- průtok oleje 5 – 60 l.min-1
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
2. Návrh zařízení
Snahou bylo navrhnout zařízení tak, aby bylo schopno vytvořit požadované podmínky
zkoušky a dodržet požadované rozsahy veličin, bez nutnost jakéhokoli zásahu do
konfigurace při změně typu měřené zkoušky.
1 – mechanický pohon
2 – tenzometrický snímač tlaku kombinovaný s bezdotykovým snímačem otáček
3 – měřený hydrogenerátor
4 – snímač tlaku
5 – snímač průtoku
6 – regulační ventil
7 – rezervoár s olejem s konstantní teplotou
Pro zajištění konstantní teploty byl navržen paralelní okruh, jehož hlavní funkcí je chlazení
oleje v rezervoáru a zlepšení promíchávání oleje v rezervoáru.
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
3. Simulační model
Pro vytvoření celkového simulačního modelu, bylo třeba vytvořit matematické
modely těchto zařízení:
regulační ventil
pohon
čerpadlo
rezervoár
potrubí
průtokový chladič
potrubí
Každý model byl testován jednotlivě a teprve potom zahrnut do celkového modelu
Pro vytváření modelů jejichž přesné
diferenciální rovnice nebyly známé bylo
použito kombinace fyzikální analogie (potrubí) nebo
interpolace mezi známými pracovními body (chladič)
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
4. Upřesnění parametrů a identifikace zařízení
K upřesnění parametrů jednotlivých akčních členů byly použity většinou údaje výrobce
Některé koeficienty (např. stlačitelnosti oleje, tepelné kapacita oceli, tepelná vodivost) byly
nalezeny v literatuře, jiné koeficienty (např. součinitele konvekce) byly odhadnuty
K určení koeficientů tření uvnitř čerpadla, bylo použito identifikace koeficientů
Coulombova a vazkého tření z naměřených dat
c
B
Csign()C
-C
Celkový příkon - naměřené hodnoty
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
otáčky [1/min]
vý
ko
n [
W]
příkon při 1 [bar]
příkon při 3 [bar]
přikon při 5 [bar]
Hydraulický příkon - vypočtené hodnoty
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
otáčky [1/min]
vý
ko
n [
W]
hydraulický výkon při 1 [bar]
hydraulický výkon při 3 [bar]
hydraulický výkon při 5 [bar]
Zmařený výkon
0
50
100
150
200
250
300
350
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
otáčky [1/min]
vý
ko
n [
W]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Mo
me
nt
[N.m
]
výkon při 1 [bar]
výkon při 3 [bar]
výkon při 5 [bar]
točivý moment při 1 [bar]
točivý moment při 3 [bar]
točivý moment při 5 [bar]
Průměr zmařeného momentu
y = 0,0028x + 0,141
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 50 100 150 200 250 300 350
úhlová rychlost [rad/s]
mo
me
nt
[N.m
]
Naměřený příkon Hydraulický výkon
Zmařený výkon a moment Směrnice charakteristiky momentu
Pro zpřesnění modelu rezervoáru oleje byla provedena simulace transientního jevu
pomocí MKP software
).().(.
..
1211
1mmTMmrezTMTM
mPocm
m TTSTTSVcdt
dT
).().(
..
111 mimiTMmimiTM
mPocm
mi TTSTTSVcdt
dT
)(.).(
..
1)1( xmnMXMXmnnmTM
mPonm
mn TTSTTSVcdt
dT
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
5. Návrh regulačních obvodůRegulace tlaku:
Akční veličinou zdvih šoupátka ventilu, který je ovládán proudovým signálem 4 – 20 mA
Ventil nabízí volbu mezi lineární a rovnoprocentní charakteristikou
0
2
4
6
8
10
12
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Řídící signál [mA]
Prů
tok
[m
^3
/ho
d]
Lineární charakteristika
Rovnoprocentní charakteristika
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Řídící signál [mA]
Tla
ko
vý
sp
ád
[b
ar]
Lineární charakteristika při max Q
Rovnoprocentní charakteristika při max Q
Lineární charakteristika při min Q
Rovnoprocentní charakteristika při min Q
1000.
.2
2
kv
Qp
100.min
h
hm
ekvkv
100min
maxmin .
h
h
kv
kvkvkv
Regulace otáček:
Motor bude provozován ve všech otáčkách se sníženým, konstantním budícím tokem pro
dosažení požadovaných otáček a konstantního statického zesílení
Pro modelování integrační složky PI regulátorů v prostředí Matlab Simulink bylo použito
integrátorů s dynamicky omezenou integrací
Možná komplikací je interakce dvou regulačních obvodů
S neomezenou integrací
S omezenou integrací
Možná komplikací je interakce dvou regulačních obvodů
Velký překmit
Regulace teploty:
Pro regulaci teploty bylo použito zpětnovazební řízení s rozděleným rozsahem
Ohřev je realizován topnými odporovými tělesy na dně rezervoáru
Akčním členem chlazení je ventilátorový chladič
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
6. Simulace režimů činnosti zařízení
Zvyšování teploty:
Snižování teploty:
Pro regulaci teploty bylo použito zpětnovazební řízení s rozděleným rozsahem
Změna tlaku při konstantních otáčkách:
- teplota oleje v rezervoáru
- teplota vracejícího se oleje
- teplota oleje v rezervoáru
- teplota vracejícího se oleje
- otáčky
- tlak na výstupu čerpadla
- žádaná hodnota tlaku
- otáčky
- tlak na výstupu čerpadla
- žádaná hodnota tlaku
Průběh teplot v měřícím okruhu
Potrubí před ventilem
Potrubí za ventilem
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
7. Návrh implementace řídícího procesu
Hlavním cílem návrhu bylo navrhnout algoritmus schopný řídit zařízení v každém režimu
jeho činnosti
1. typ zkoušky
2. způsob provedení (diskrétní, plynulá)
3. žádaná teplota media
4. počáteční tlak
5. konečný tlak
6. počáteční otáčky
7. konečné otáčky motoru
8. doba provádění zkoušky
9. počet kroků
Zadávaná data:
Systém bude řídit z pohledu měnících se hodnot dva typy zkoušek
Pro popis řídicího algoritmu byl zvolen „Stavový stroj“
Stavový stroj:
1. Vytvoření specifikace zařízení
2. Návrh zařízení včetně hydraulického okruhu
3. Vytvoření simulačního modelu zařízení
4. Upřesnění parametrů komponent a celého zařízení
5. Navržení jednotlivých regulačních obvodů zařízení
6. Provedení simulací dílčích režimů celého zařízení
7. Provedení návrhu implementace řídicího procesu
8. Simulace implementace řídícího procesu zkušební stolice
8. Simulace implementace řídícího procesu
Simulace byla provedena pomocí
Matlab toolboxu Stateflow
Simulace byla provedena pomocí
Matlab toolboxu Stateflow
Simulace řízení zařízení
Závěr
Pro konstrukci samotného zařízení je třeba zpřesnit specifikaci – na požadovaných
rozsazích a přesnosti bude záviset volba zařízení a cena celého zkušebního zařízení
Pro návrh velikosti rezervoáru by bylo přínosné provést CFD simulaci